Чому гравітація є лише привабливою силою?

Відповідно до загального закону тяжіння, будь-які два тіла (маючи деяку масу) відчувають силу «тяжіння», яка пропорційна ... і ... обернено пропорційна ...

Тоді виникає моє запитання: Чому це повинно бути силою лише типу "привабливості"? Чому це не повинно бути відштовхуванням / будь-яким іншим видом сили?

Тому що маса позитивна

Щоб розширити свою цитату про гравітаційну силу в рівняння:

Сила тяжіння, пропорційна добутку мас і обернено пропорційна відстані, , у квадраті. Давайте це на роботі і подивимося, що може спричинити позитивний .$F_G$$r$$F_G$

У цьому рівнянні не може бути від'ємним, оскільки це відстань між двома місцями. Два місця не можуть бути на відстані негативної відстані. І навіть якби вони якимось чином були, квадрат все одно би подбав про це.$r$

$G$ - універсальна константа і завжди позитивна. Ви можете стверджувати, що це може бути негативним, але це неможливо. насправді насправді не існує. Це не описує нічого принципового для фізики Всесвіту. - просто константа бухгалтерського обліку, яка дозволяє нам отримати правильну відповідь на силу, грунтуючись на будь-якому виборі одиниць для маси та відстані. Технічно, якщо використовуються "правильні" одиниці для маси та відстані (наприклад, одиниці Планка ), то і фактично не існує. Оскільки - лише коефіцієнт масштабування, який залежить від вибору одиниць, це буде лише додатне число.$G$$G$$G=1$$G$

Це залишає нас з масами. Це єдині речі, які можуть бути негативними. Звичайно, щоб отримати позитивну відштовхувальну силу, одна маса повинна була бути позитивною, а інша негативною. Але що саме є негативною масою? Маса - це метрика, яка описує "скільки" чогось там. Як ти можеш мати щось менше, ніж нічого?

Чому маса не може бути негативною?

Якщо ви хочете подивитися на це іншим способом, ви можете показати, що якщо маса може бути негативною, ви отримаєте безглузді результати! Якщо припустити, звичайно, всі інші аспекти фізики були однаковими. Згадайте з другого закону Ньютона, що

Скажімо, на столі сидять два блоки. Один блок має масу що є позитивним, а інший має масу яка є негативною. На даний момент ігноруйте всі інші сили на цих двох блоках.$m_1>0$$m_2<0$

Я піднімаюсь до і прикладаю силу, щоб штовхнути цю масу вперед. Індуковане прискорення: . Обов’язково напрямок, в якому рухається - це той самий напрямок, в якому я натискаю. Це все добре і добре.$m_1$$a = F/m_1$$m_1$

Тепер я до і застосовую ту саму силу, намагаючись висунути її вперед на стіл. Прискорення, викликане на буде:. Примітка. Я зробив$m_2$$m_2$$a = -F/|m_2|$$m_2$позитивний і витягнув негативний знак. Ви бачите, що якщо моя сила буде вперед, напрямок, яким рухається маса, буде назад! Але ось проблема, моя рука перешкоджає тому, що вона намагається підштовхнути до маси. Коли маса намагатиметься рухатись назад у мою руку, це буде застосовувати силу назад на мою руку, що, згідно третього закону Ньютона, обов'язково означає, що моя рука застосовує більше сили на блок, який потім застосовує більше сили на мою руку,. .. і раптом застосовуються нескінченні сили або рівнозначно ці об’єкти нескінченно прискорюються. Це описується концепцією Runaway Motion .

Якщо вам це здається дивним, це тому, що це так. Якби існували негативні маси, ми жили б у дуже дивному Всесвіті. На щастя, ми живемо у Всесвіті, де фізика має сенс, маса - позитивна, а гравітація - це завжди привабливо.

Чому гравітація є лише привабливою силою?

TL; DR
Тому що маса завжди позитивна.

Існують різні поняття маси, але вони рівнозначні.
Існує два чітких поняття маси: гравітаційне та інерційне. Маси в законі гравітації Ньютона, , - це гравітаційні маси. Маса у другому законі руху Ньютона, , є інерційною масою. Гравітаційна та інерціальна маса неявно вважаються однаковими у ньютонівській механіці. Загальна відносність робить це припущення явним у принципі еквівалентності.$F = \frac{Gm_1m_2}{r^2}$$F=ma$

Але що робити, якщо вони не рівноцінні?

На відміну від математики, де можна просто зробити припущення і побачити, куди це веде, припущення з фізики потрібно перевірити. Це припущення було перевірено на багатьох видах матеріалів, як на землі, так і в космосі. В експерименті Кавендіш із використанням різних матеріалів були зроблені варіанти. У межах досить влучної точності гравітаційної константи (в кращому випадку одна частина на десять тисяч) кожна з них узгоджується з нульовою гіпотезою (гравітаційна та інерціальна маса однакові) та не відповідає гіпотезі про те, що різні матеріали мають помірно різні гравітаційні та інерційні маси.

Місяць Землі з дуже різними її сторонами та дальніми сторонами забезпечує ще кращий механізм перевірки цієї еквівалентності. Замість точної частини на десять тисяч (у кращому випадку) точності, доступної експериментам у стилі кавендіш, Місяць показує, що гравітаційна та інерціальна маса натрію та заліза еквівалентна приблизно в межах однієї частини на десять трильйонів .

Стільки для звичайної матерії, а як щодо антиматерії?

Те, що звичайна частинка речовини та її протисистемний еквівалент мають однакову (позитивну) інерційну масу, випробовувались знову і знову у зіткненнях частинок у всьому світі. Чи стосується принцип еквівалентності і проти антиматерії, залишається дещо відкритим питанням. Хоча існує багато причин думати, що принцип еквівалентності застосовується як до антиматерії, так і до звичайної речовини, проте перевірити, що це так, дуже важко. Найкращі на сьогодні результати експерименту з АЛФА, який перевіряє, чи знижується нейтральний антигідроген (антипротон і позитрон) вгору чи вниз. Результати полягають у тому, що гравітаційна маса антиводороду лежить десь від -65 до 120 разів більше її інерціальної маси. Це ніде не є переконливим, але воно схиляється до антиматерії, що має позитивну гравітаційну масу, що відповідає принципу еквівалентності.

У той же самий рядок із попередніми відповідями, що вказують на те, що "маса не може бути негативною", я хотів би додати розуміння, чому це, мабуть, так і є. Якщо взаємодія поля і частинок з різними ступенями взаємодії з полем викликає те, що ми називаємо масою, то теорія припускає, що фотони не мають маси (і складають межу швидкості через простір), оскільки вони не взаємодіють з поле взагалі. Я не думаю, що рамки допускають негативну взаємодію з полем або полем "анти-Хіггса".

Теоретично гравітація може бути "привабливою" в тому сенсі, що предмети рухаються до вас при натисканні. Це може відбуватися від негативної маси (це, мабуть, не має сенсу, але теоретично можливо). Пітер Енгельс та інші написали документ про це тут, і це цікава ідея.

Ідея полягає в тому, що, охолоджуючи атоми до майже абсолютного нуля, вони створюють конденсат Бозе-Ейнштейна і діють подібно хвилям у царині квантової динаміки.